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1、 摘 要 液压缸是实现液压能转变成机械能的装置，它是用来做摆动运动（或直线往复运动）的执行元件，拥有比较简单的结构并且工作可靠，完成摆动运动时，无传动间隙且可以避免减速装置的影响，使其平稳运动，现今在各机械的液压领域，都得到了广泛的实践应用。液力与液压传动的工作介质都是液体，用此方式来进行能量的传递，液力传动是将机械能转变成液体动能，再将液体动能转变为机械能的装置，可以把能量进行传递，也是液体传递的一种分支，它的组成主要是几个叶轮的非刚性连接。而液压传动不同，它的传递方式是通过工作介质来进行控制与传递能量，它们均为流体传动，目前在各个领域已得到广泛认可和采用。本次设计主要是对液压缸系统的设计方
2、法来进行系统的研究，通过对液压缸建立 CAD原型得出了以下研究成果：1.在分析液压缸的基本工作原理上，总结它的主要安装以及工作形式。2.做出其装配图，通过了解装配图的特征，来建立模型。3.结合液压缸的装配 CAD系统模型，来开发其系统 CAD软件原型系统。4.通过计算的方法来选择需要的液压元件。5.最终对所设计的系统进行检验。6.绘制最终正式的系统图与文件。关键词：液压缸；液压传动；液力传动 Abstract Hydraulic cylinder is a simple and reliable device that performs linear reciprocating motions
3、 and converts hydraulic energy to mechanical energy.When hydraulic cylinder works,Reduction gear can be avoided,and there is no rotational clearance.Due to its reliable property,Hydraulic cylinder are widely applied in the mechanical hydraulic system.Hydraulic cylinder output force is proportional t
4、o the effective area of piston and the pressure difference.Hydraulic cylinder is primarily composed of cylinder,cylinder head,piston,piston rod,sealing device,buffer device,and exhaust.buffer device and exhaust are applied on a case by case basis,while other equipment are usually necessary.Hydraulic
5、 transmission and hydraulic transmission both employ working liquids for energy conversion.Hydraulic transmission is in fact a branch of liquid drive,and consists of a non rigid connection drive device made up of several impellors.This device converts mechanical energy to the kinetic energy of the w
6、orking liquid,and then converts to mechanical energy again for energy transportation;hydraulic transmission employs working liquid to convert energy and perform control.Hydraulic transmission and pneumatic drive are named fluid drive，which is a new technology based on hydrostatic pressure transmissi
7、on principle introduced by Pascal in the 1600.Therefore,they have been widely used a wide array of fields.This work performs systematic research into the hydraulic cylinder parametric design method to establish hydraulic cylinder CAD prototype software system.The major results are:1.Analyzed the wor
8、king conditions of hydraulic system,and generalized the working and installing methods of hydraulic cylinder based on the analysis results;2.Drafted the schematic of the hydraulic system,and developed a feature-based product model for hydraulic cylinder。We studied the modeling methods for the databa
9、se of standard parts suitable for parametric designs of hydraulic cylinder,and developed a database model for the hydraulic cylinder;3.Constructed a parametric CAD model and a prototype system for hydraulic cylinder;4.Calculated hydraulic system and selected hydraulic element;5.Validated the hydraul
10、ic system;6.Draw official graphs and compiled technology files.Key words：Hydraulic cylinder;hydraulic transmission;hydraulic transmission 目 录 引言 .1 第一章液压传动的概述 .2 1.1 简介 .2 1.2 应用领域 .2 1.3 传动原理 .2 1.4 主要组成 .3 1.4.1 动力元件（油泵）.3 1.4.2 执行元件（油缸、液压马达）.3 1.4.3 控制元件 .3 1.4.4 辅助元件 .3 1.4.5 工作介质 .3 1.5 表达符号 .4
11、 1.6 现状及其展望 .4 第二章液压缸的结构 .6 2.1 液压缸连接方式 .6 2.1.1 法兰型液压缸 .6 2.1.1 螺纹盖型液压缸 .6 2.1.3 拉杆型液压缸 .6 2.1.4 液压缸安装方式 .7 2.2 特殊液压缸 .9 2.2.1 特殊工质液压缸 .9 2.2.2 多级液压缸 .9 2.2.3 组合液压缸 .10 2.2.4 电液伺服液压缸 .10 2.2.5 特殊结构液压缸 .11 第三章液压缸的主要参数计算 .13 3.1 液压缸种类 .13 3.2 计算主要参数 .13 3.2.1 液压缸公称压力 .13 3.2.2 液压缸尺寸与面积比 .13 3.2.3 活塞的
12、理论推拉力 .15 3.2.4 液压缸效率t .17 3.2.5 液压缸负载率 .18 3.2.6 活塞瞬间线速度v .18 3.2.7 活塞的作用力 F .20 3.2.8 活塞加速度 a .21 3.2.9 活塞加（减）速时间 ta（td）.21 3.2.10 活塞加（减）速行程 Sa（Sd）.22 3.2.11 液压缸流量 .22 3.2.12 液压缸功率 P .23 第四章液压缸主要零部件设计 .24 4.1 缸筒的设计计算 .24 4.1.1 主要技术要求 .24 4.1.2 缸筒结构 .24 4.1.3 缸筒计算 .26 4.1.4 缸筒厚度计算 .28 4.1.5 缸筒厚度验算
13、.29 4.1.6 缸筒底部厚度计算 .29 4.1.7 缸筒焊接连接计算 .29 4.1.8 缸筒材料 .31 4.1.9 缸筒内壁表面加工公差和粗糙度 ISO4394 .31 4.2 导向环的设计计算 .32 4.2.1 导向环主要优点 .32 4.2.2 导向环的型式 .32 4.2.3 导向环的尺寸不同 .34 4.3 活塞杆导向套 .34 4.4 中隔圈的设计计算（限位圈）.35 4.5 辅件 .36 结论 .42 参考文献 .43 致谢 .44沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 引言 1 引 言 液压传动元件有诸多的优点：它操作简便且易于受控，安装简便快捷，不易于出现故障，方便后期维
14、护保养.它还适用于各种工作恶劣，形态结构多变的条件下得到应用，液压传动的传动法师是以液体液体作为工作介质，从而进行能量的传动与控制，是根据 17 世纪法国物理学家提出的液体静压力原理而发展起来的，如今已在现实生产中得到了广泛认可与应用，液压缸是一个比较简单但又拥有较完整传动系统的液压装置，在对其分析的过程中，可以了解到整个传动系统的基本原理，也可以方便的研究其所做的摆动或往复运动，因为液压系统所需要的工作介质是液体，所以更容易实现过载保护，它活用在了我们现实生活中的各个领域，工业上：机床和压力机械等方面；行走机械：工程建筑，汽车农机；冶炼工业：冶金机械，提升装置；还有起重机械，船舶减摇装置，飞
15、机起落架等军事方面都离不开液压传动系统。沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 液压传动的概述 2 第一章 液压传动的概述 1.1 简介 液压传动的工作介质是液体，用它来进行控制与能量传递的传动方式。液压传动称为流体传动，是目前发展较快的技术水平，如今也是在工业农业领域都得到广泛推广的技术，流体传动技术也成为了衡量国家工业化水平高低的一项重要标准。1.2 应用领域 液压传动的优点有很多，所以它在各个领域都得到广泛应用与认可，如一般工业用的塑料加工机械、测量浮标、机床等；行走机械上：工程建筑，汽车农机；冶炼工业上：冶金机械，提升装置；还有起重机械，船舶减摇装置，飞机起落架等军事方面都离不开液压
16、传动系统。此外它也在未来拥有良好的发展前景，此外，液压缸与它的传动系统都在做着进一步的完善与改良，在高效滤材，高转速组件，高压，低噪声等方面都采取一定的研究。1.3 传动原理 液压传动的基本原理：液压系统是实现机械能与液体压力能的转换，此过程利用液压泵完成，它传递能量主要是依靠通过液体压力能的变化来实现，利用各种控制阀和管路的传递，再借助液压执行元件（如液压缸）将液体压力能转化为所需要的机械能，实现直线往复运动和回转运动，进而驱动工作机构，其中的工作介质是液体，一般为矿物油，其作用相似于机械传动中齿轮，皮带等传动元件。沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 液压传动的概述 3 1.4 主要组
17、成 液压系统主要是由：动力元件（油泵）、执行元件（油缸或液压马达）、控制元件（各种阀）、辅助元件和工作介质等五部分组成。1.4.1 动力元件（油泵）它在液压传动系统中起动力作用，是动力部分，将液体通过原动机实现机械能向液压力能的转换。1.4.2 执行元件（油缸、液压马达）它主要是将液体的液压能向成机械能转换。过程中，油缸做直线运动，马达做旋转运动。1.4.3 控制元件 通常是压力阀、流量阀和方向阀等。无级调节液动机的速度是他们在工作中的主要作用，此外，还需要对液压系统中压力、流量和流向等因素进行控制调节。1.4.4 辅助元件 除了以上三个部分，包括压力表，滤油器，存储设备，冷却器，管接头（扩管
18、，焊接，套筒式），高压球阀，快换接头，软管总成，高压接头，管夹、油罐和其他元素，也是很重要的。1.4.5 工作介质 各类液压传动中的液压油（或乳化液)都是液压传动中的工作介质，它可以通过油泵和液动机进行能量转换。沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 液压传动的概述 4 1.5 表达符号 图 1 液压系统表达符号 1 油箱 7油管 2 过滤器 8油管 3 液压泵 9液压缸 4 流量控制阀 10工作台 5 溢流阀 6 换向阀 1.6 现状及其展望 目前的液压缸有很大的广泛性，以其可以进行大范围的无极调速，易于实现自动沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 液压传动的概述 5 化和过载保护，它
19、具有标准化的特点，同时还具有系列化和通用化，这也使得它在工程应用领域的表现优秀.它还具有体积小，重量轻的特点，其结构紧凑，惯性小，这也是基于以密闭容器中的静压力传递力和功率这一原理实现工作目的。液压缸正在向着节能环保，且与微电子计算机相结合，使其工作更稳定，噪声更小的方面发展。沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 液压缸的结构 6 第二章液压缸的结构 目前的生产实际生活中，最常用的是通用液压缸，在自动控制、各类型汽车以及重工业机械均有了广泛推广，在国家标准和国际标准规定都对它的安装尺寸有了一定的规范，我们需要从端盖与缸筒的连接方式和安装方式两方面对其进行研究。2.1 液压缸连接方式 2.1
20、.1 法兰型液压缸 这种缸体的法兰一般都存在于其两端盖，是将多个螺钉连接与法兰相对应，使其存在于钢筒。2.1.2 螺纹盖型液压缸 目前，多在矿业，海洋制造业，汽车等室外机械上常见这类液压缸。这类缸体的结构：后端盖采取焊接的方式连接在缸筒后端，并且它的活塞杆侧的前端盖制有螺纹，使其会以旋入的方式置于所对应的缸筒螺纹内。2.1.3 拉杆型液压缸 这类液压缸大多用四根拉杆拉紧两端盖，端盖呈长方形或正方形，与缸筒的连接方式采用多根拉杆连接的形式。（图 2）沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 液压缸的结构 7 1-活塞杆；2-导向套；3-法兰；4-前端盖；5-缸筒；6-拉杆；7-导向环（支撑环）8
21、-活塞密封件；9-后端盖；10-活塞；11-缓冲套筒；12-活塞杆密封件；13-防尘圈 图 2 拉杆式液压缸 2.1.4 液压缸安装方式 国际标准 ISO60991985初步规定了 51 种安装方式，分为七类，并用字母和数字表示。字母为 M，表示安装方式，后面为字母和数字。字母的定义如下：M 安装 R螺栓端 D 双活塞杆 S第脚 E 前端或后端 T耳轴 F 法兰（可拆的）X双头螺栓或拉杆 P 圆柱销 实用上多限于 6-12种，如目前采用较广泛的三项国际标准分别规定 7-12种安装方式（见表 1）沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 液压缸的结构 8 表 1 各类液压缸的安装方式代号 国际
22、标准 液压缸类型 工作压力 安装方式代号 安装方式 数目 ISO6020/1 单活塞杆中型系列 16 MF1。MF2，MF3，MF4，MP3，MP4，MP5，MP6，MT1，MT2，MT3 11 ISO6020/2 单活塞杆小型系列 16 ME5，ME6，MP1，MP3，MP5，MS2，MT1，MT2，MT4，MX1，MX2，MX3 12 ISO6022 单活塞杆 25 MF3，MF4，MP3，MP4，MP5，MP6，MT4 7 表 1 中各种规定了7-12种安装方式代号所代表的意义如下：端盖类：ME5前端矩形端盖安装 ME6后端矩形端盖安装 法兰类：MF1前端矩形法兰安装 MF2后端矩形法兰
23、安装 MF3前端圆形法兰安装 MF4后端圆形法兰安装 耳环类：MP1后端固定式双耳环安装 MP3后端固定式单耳环安装 MP4后端可拆式单耳环安装 MP5后端固定式球铰耳环安装 MP3后端可拆式球铰耳环安装 底座类：MS2侧底座安装 耳轴类：MT1前端整体式耳轴安装 MT2后端整体式耳轴安装 MT3中间固定或可移式耳轴安装 MT4中间固定或可拆式耳轴安装 螺栓螺孔类：MX1两端四双头螺栓式安装 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 液压缸的结构 9 MX2后端四双头螺栓式安装 MX3前端四双头螺栓式安装 在设计液压缸的过程中，都需要查阅其标注，从而找到对应安装尺寸。2.2 特殊液压缸 为了某
24、一种特殊的用途，而特别设计或制造的缸体称之为专用液压缸，其目的是为了完成生产生活中的特殊用途，它的组合方式，材料等都比较特殊，目前，这类缸体已形成专用系列，且批量投入生产生活。2.2.1 特殊工质液压缸 高水基液压缸 此类液压缸的工作介质是高水基液，它容易在液压缸截流处产生腐蚀，因其粘度低，导致了更容易发生泄漏，它的液膜承载能力也很低，易于造成摩擦副磨损，这些因素所决定它的工作最高压力只限于 7MPa。水质液压缸 此类液压缸的工作介质采用水，比高水基更恶劣的工作环境决定其最高压力至多只限在 3.5MPa以内。由于工作环境的原因，其主零件材料需更耐腐蚀，通常选用青铜的活塞，与不锈钢活塞杆。2.2
25、.2 多级液压缸 由不同直径的多个相套套筒作为活塞的成为多级液压缸，其中，最小的一级套筒封底。优点：每当套筒全部内缩时，长度变小，而当全部外伸时，工作的行程是单级行程乘几数的积，借此可节省较多地位。缺点：空间布置的缘故，套筒不能有过大的壁厚，故决定其工作压力不超过 10MPa，而行程较短且级数略少的缸的工作压力可达到25MPa。沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 液压缸的结构 10 举升多级液压缸 在其工作供油时，各级套筒将会外伸，不供油时，在重力或者负载的因素下，各级套筒将会内缩，故可用为作用缸，也会存在最小一级用双作用用来加速内缩速度的情况，对于这种缸，需提供稳定的举升功率，全程中保
26、持匀速，在供油软管爆裂时，各套筒的内缩速度不会导致过大等。起重机伸缩臂多级液压缸 这种缸体的工作方式需要在外伸和内缩的情况下均可带动负载，其行程较长，所以要求拥有足够韧性的钢筒与套筒，避免发生中间弯曲。2.2.3 组合液压缸 组合液压缸的组成部件由液压缸，电动机，液压泵，油箱，滤油器，蓄能器，控制液压阀组成。因此拥有诸多优点，首先其集成程度高且体积小，可方便的应用于车间装配和调试，不用现场进行，这样也可以保证污染小，还可保证安装与调试质量，同时节省常规液压系统管系，减小压力损耗，对提高效率，节能环保带来巨大优势。利于保养。2.2.4 电液伺服液压缸 需求较高的控制精度，通常会使用缩短连接油管道
27、长度来得到所欲要的响应频率的方法，在液压缸中集成控制压力油的压力，或用流量的电液伺或比例阀和负载反馈传感器，根据不同的信号类型，结构形式分为以下两类：模拟式电液伺服液压缸 负载反馈传感器是一个较为常见的传感器，其作用是为表示负载移动量的位移传感器，它置于后端盖外，其探测杆伸入活塞杆中心孔内。技术要求：降低摩擦与内外泄露，无爬行，频率响应需求较高。通常对其摩擦副作特殊处理如下：缸筒：内摩擦面镀硬铬后抛光；活塞密封：用玻璃微珠填充的聚四氟乙烯制的 O 形或唇形密封圈，也有外圆带很小圆锥度的活塞静动压密封；活塞杆密封：用丁腈橡胶制预加压唇形密封圈，也有内圆带很小圆锥度的导向套沈阳化工大学科亚学院学士
28、学位论文 第二章 液压缸的结构 11 静动压密封；活塞杆导向套：用高耐磨和高硬度的FeN铸铁；防尘圈：用双金属型，并预先磨成刃口形；油管：伺服阀与液压缸之间的油管用过度块内直接钻孔的通道和预装的厚壁刚性短管。电液伺服液压缸用途较广：飞机的起落架，薄钢板轧机，材料疲劳实验机，模拟实验机，机械手等，作为力或位置速度伺服之用。数字式电液伺服液压缸 这种液压缸也称脉冲液压缸，能直接接收数字信号以转换为精确的线性机械运动。这类液压缸的优点：频率响应高，起动频率高；单位功率的成本低，容易达到很大输出力；传动环节少，无游隙，精度高；只需要小功率的脉冲电源，动态流量计量液压缸 作为液压元件或系统实验时测量动态
29、流量之用 这种液压岗的技术要求是：能迅速对流量的变化作出反应，因此对内漏不必作过分严格的的控制而运动件的摩擦力应极小，无爬行，频响高，惯量极小。这类液压缸的动态流量测量精度可达0.5%，频率响应达1000Hz。2.2.5 特殊结构液压缸（1）重型液压缸 在重工业机械生产中如轧机，冶金工业等高温度的工作环境以及多尘、蒸馏等坏环境下工作，需承受巨大的冲击负载，且连续作业。（2）控速液压缸 活塞为适应再高速下工作，且可以减缓冲击压力，最后可以在行程末端进入缓冲区，须在加、减速过程中掌控活塞的速度和加、减速度，达到无级缓冲的效果。（3）自锁液压缸 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 液压缸的结构
30、 12 这类缸需要将活塞杆锁定在指定的位置上，所以装有自锁机构。自锁机构分两种：液压锁 优点：无级锁定，任意调定锁定位置且不会移位，操纵压力油压流向可实现远程操控，即可锁定或松锁。机械锁 在行程方向上的锁定通常我们称之为机械锁，其中包含液压缸外部对活塞杆的机械锁与液压缸自带机械锁。（4）钢索液压缸 为实现特长行程与节省液压缸空间，所以带动的负载均为较轻的，因此也称为无杆液压缸。结构特点：钢索滑轮存在于两端盖外，活塞无活塞杆，两侧分别与两端盖外钢索滑轮相连。（5）浸水液压缸 这种液压缸大部分都用于水下工作，所以必须防止工作有泄漏于外部，同时也需要避免水渗入缸内。结构特点：与普通液压缸不同，它不仅
31、要求活塞的密封件外，还需要拥有外向密封圈，此外还需拥有防尘圈，在其内外密封圈间由低压腔，回油管将其与油箱相连接，以防泄漏。（6）开关式限位液压缸 功能是对行程的极限位置的限制，活塞杆到达极限位置，驱动滑块使它发出电子信号，控制液压阀的方向，使活塞做反向运动。（7）位置传感液压缸 它可以将活塞传感到任意位置，并发出相应的电信号。结构特点：此缸多是差动式，活塞杆直径相对较大，内有长孔，所以目前采用的位移传感器基本属于非接触式。沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 液压缸的主要参数计算 13 第三章液压缸的主要参数计算 液压缸是将液压能转化成直线运动机械能的执行元件 3.1 液压缸种类 液压缸主
32、要分单作用液压缸，双作用液压缸，缓冲式液压缸，多级液压缸等 3.2 计算主要参数 3.2.1 液压缸公称压力 1.额定压力 Pn，也称公称压力，是液压缸能用以长期工作的压力。国家标准GB2346-80规定了液压缸的公称压力系列如表 2 表 2 液压缸公称压力（MPa）2.最高允许压力 Pmax，也是动态试验压力，是液压缸在瞬间所能承受的极限压力。各国规范通常规定为：Pmax1.5Pn（MPa）（3-1）3 耐压试验压力 Pt，是液压缸在检查质量时需承受的压力试验，在此压力下不出现变形或破裂。各国规范多数规定为：Pt=1.5Pn（MPa）（3-2）军品规范为：Pt=(2-2.5)Pn(MPa)（
33、3-3）3.2.2 液压缸尺寸及面积比 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 液压缸的主要参数计算 14 1、缸内径 D 表 3 缸内径 D（mm）2、活塞杆内径 d 表 4 活塞杆直径 d（mm）3、活塞行程 S 表 5 活塞杆行程 S 4、面积比（即速度比）=2221221/()AAvvDDd (3-4)沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 液压缸的主要参数计算 15 A1=/42D A2=/4(22Dd)式中 A1活塞无杆侧有效面积（2m）A2活塞有杆侧有效面积（2m）1v活塞杆伸出速度（2/ms）2v活塞杆退出速度（2/ms）D活塞直径（m2）d活塞杆直径（m2）值系列案 IS
34、O7181规定，如表 6 3.2.3 活塞的理论推拉力 以双作用单活塞液压缸为例，液压油作用在活塞上 F1：62611*10/4*10()iiFAPD PN （3-5）当活塞杆退回时的理论拉力 F2：622622*10/4()*10()iiFA PDdPN （3-6）沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 液压缸的主要参数计算 16 表 6 面积比 当活塞杆差动前进时（即活塞的两侧同时进压力相同的液压油）的理论推力3:F 626312()*10/4*10()iFAA Pid PN （3-7）以上三式中 D活塞直径（即液压缸内径）（m）d活塞杆直径（m）Pi供油压力（MPa）沈阳化工大学科亚学
35、院学士学位论文 第三章 液压缸的主要参数计算 17 3.2.4 液压缸效率t 1、机械效率m，由各运动件摩擦损失所造成。在额定压力下，通常可取m0.9。2、容积效率v，由各密封件泄露所造成，通常容积效率为：图 3 液压缸活塞受力示意图 装弹性体密封圈时：v1 装活塞环时：v0.98 3、作用力效率d：由排出口背压所产生的反向作用力而造成。活塞外推时：112211/dPAP APA （3-8）活塞向内拉时：221122/dP APAP A （3-9）式中 1P当活塞外推时，为进油压力；当活塞向内拉时,为排油压力（MPa）；2P当活塞杆外推时，为排油压力；当活塞环内拉时，为进油压力（MPa）；12
36、AA、同前。沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 液压缸的主要参数计算 18 当排油直接回油箱时：d1.4、总效率t t=mvd(3-10)3.2.5 液压缸负载率 为实际使用推力（或拉力）与理论额定推力（或拉力）的比值：=实际使用推力（或拉力）/理论额定推力（或拉力）(3-11)这值是用以衡量液压缸在工作时的负载，通常采用0.50.7，但对有些用途也可取0.450.75 3.2.6 活塞瞬间线速度v 活塞瞬间线速度v v=/vqA（m/s）(3-12)式中 vq液压缸瞬时体积流量（2/ms）A活塞的有效作用面积 当 vq=常数时，v=常数。但实际上，活塞在行程两端各有一个加速阶段或一个减
37、速阶段，见图 4 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 液压缸的主要参数计算 19 图 4 活塞线速度随时间的变化 2 活塞最高时线速度maxV 当流量vq保持不变时，活塞在行程的中间大部分保持恒速，在活塞杆外推时，活塞的最高线速度为 Vmax为 max111/(/)vVqA m s （3-13）式中 1vq杆外推时的体积流量2(/)ms 活塞杆内拉时 max222/(/)vVqA m s （3-14）式中 2vq杆内拉时的体积流量2(/)ms 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 液压缸的主要参数计算 20 3 活塞平均线速度mV /mVS T(/)m s （3-15）式中 S活塞行
38、程（m）T活塞在单一方向的全行程时间（s）活塞最高线速度与平均线速度可按下式计算 maxV=vmKv（/m s）（3-16）式中 vK活塞线速度系数 活塞最高线速度maxV受活塞和活塞杆密封圈以及行程末端缓冲机构所能承受的动能所限制。过低的最大线速度可能造成爬行，不利于正常工作，故maxV应大于0.10.22/m s。3.2.7 活塞作用力 F 液压缸在工作适，活塞的作用力 F，必须克服各项阻力，F 的大小为；FEFfIFFFF（N）（3-17）式中 EF外负载阻力（包括外摩擦阻力在内）（N）；FF回油阻力（N），当油流会邮箱时，可以近似取FF=0，如果回油存在背压，则当杆外推时，可按式（3-
39、6），计算当杆内拉时，可按式（3-5）计算；当活塞差动前进时，在推力3F中已考虑了FF在内，故此不必计算；fF密封圈摩擦阻力（N）；IF活塞在启动，制动或换向时的惯性力（N），在加速时，沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 液压缸的主要参数计算 21 取+1F，在减速时，取-1F，在恒速时，取1F=0。密封圈摩擦阻力fF为活塞密封和活塞杆密封摩擦阻力之和，即 6()10fDDddFfpDb kdb k （N）（3-18）式中 f密封圈摩擦系数，按不同润滑条件，可以取f=0.050.2；p密封圈两侧压力差 （Mpa）；DDb k分别为活塞及活塞杆密封圈宽度 (m)；dbdb k分别为活塞和活
40、塞杆密封圈摩擦修正系数，“O”型密封圈；dk0.15 压紧型密封圈；dk0.2 唇型密封圈；dk0.25 3.2.8 活塞加速度 a 活塞加速度或减速度 a 为 2/(/)IaFm m s （3-19）式中 m为活塞及负载重量（kg）IF为活塞及负载惯性力（N）活塞加速度 a 的符号为“+”，减速度为“-”。3.2.9 活塞加（减）速时间 ta（td）如图 2 作为活塞简化运动规律，则活塞的加速度和减速度时间分别为 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 液压缸的主要参数计算 22 max/atva（s）（3-20）max/dtva（s）（3-21）3.2.10 活塞加（减）速行程 Sa（S
41、d）如仍以图 2 作为活塞简化运动规律，活塞的加速及减速行程分别为 2/2aaSa t（m）(3-22)2/2ddSa t(m)（3-23）装有缓冲装置的液压缸的活塞加速或减速行程与缓冲装置节流行程有关（见3-23）3.2.11 液压缸流量vq 当活塞杆外推时；11/vmvqAv2(/)m s (3-24)当活塞杆内拉时；22/vmvqAv2(/)m s （3-25）对于弹性物密封圈；1;v 对于金属活塞坏；0.98;v 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 液压缸的主要参数计算 23 3.2.12 液压缸功率 P 当活塞杆外推时；1mPFv（w）（3-26）当活塞杆内拉时；2mPFv（w
42、）(3-27)以上各式中凡未加说明的代号，其意义和单位均与前相同。沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第四章 液压缸的主要零部件设计 24 第四章液压缸主要零部件设计 4.1 缸筒的设计计算 4.1.1 主要技术要求 1）达到所要求的强度，在实际的生产工作中，会长期受到最高工作压力以及短期动态实验压力，足够的强度不会导致永久性变形；2）达到所要求的刚度，在实际的生产工作中，活塞侧向力和安装会产生巨大的反作用力，刚度需达到要求，使其可以承受，从而不会导致弯曲；3）活塞的密封件与内表面及导向环会产生摩擦损耗，能在长期工作中降低磨损，保持较高的几何精度，可以保持密封件的密封性。4）具备良好的可焊性，有
43、几种缸体所需要的性质，可为法兰或管接头焊接时不易于发生裂纹与过大变形。4.1.2 缸筒结构 现今，我们较为常见的缸筒结构有八大类，具体见图表 8，选用结构时，会优先考虑缸筒与端盖的连续型式，连续型式又被额定工作压力，用途，使用环境等因素所限制。沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第四章 液压缸的主要零部件设计 25 表 7 常用的缸筒与缸盖的连接型式 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第四章 液压缸的主要零部件设计 26 4.1.3 缸筒计算 缸筒内径计算 a 当液压缸的理论作用力 F 及供油压力ip为已知时，则缸筒内径 D 按下式计算（无活塞杆侧）得：31410FDpi (4-1)有活塞杆侧：
44、226410FDdpi (4-2)式中 d活塞杆直径（m）；沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第四章 液压缸的主要零部件设计 27 ip供油压力（MPa）；1F、2F分别为液压缸的理论推力和拉力（N）。液压缸的理论作用力 F，按下式确定：01FF（N）(4-3)式中 0F活塞杆上的实际作用力（N）；负载率，一般取=0.50.7；1液压缸的总效率。b 当活塞差动前进的理论推力3F：3F=1 122APA P (4-4)我们知道液压系统的最大推力为47.124N，1P=25MPa，液压缸的无腔工作面积1A为有腔工作面积2A的两倍，即活塞杆直径 d 与缸筒直径 D 的关系为 d=0.543D，背压2
45、P=25MPa。3F=1 122APA P=11 122AAPP 得 31212FAPP146502.852=314.16c2m D=14A=0.0198m (4-5)按 GB/T23481980将直径圆整成标准值是得：D=0.02m=200mm 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第四章 液压缸的主要零部件设计 28 4.1.4 缸筒厚度计算 缸筒厚度为：=0+1c+2c (4-6)式中 0为缸筒材料强度要求的最小值（m）；1c为缸筒外径公差余量（m）2c腐蚀余量（m）关于0的值，可按下列情况分别进行计算：当/D0.008时，可用薄壁缸筒的实用计算式：max02pD（m）（4-7）我们取=0.
46、0384，这时候/D=0.16在 0.080.3之间，所以选用实用公式：0maxmax2.3pDp（m）(4-8)其中 p1.5MPa，我们选用 45 号钢，它的许用应力=b/n=600/2=300N/2m 05 0.242.3 300 1.5 0.0384=0.00201（m）式中 D缸筒内径（m）；maxp缸筒内最高工作压力（MPa）；沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第四章 液压缸的主要零部件设计 29 缸筒材料的许用应力（MPa）；B缸筒材料的抗拉强度（MPa）；n安全系数，通常 n=5。4.1.5 缸筒厚度验算 对最终采用的缸筒厚度应作四方面的验算：基于安全为第一要素的前提下，工作压
47、力会存在一个极限值，使额定的工作压力np不能超出这一值，D=0.02m，查表得出，1D=0.0245m时，额定工作压力np的极限值：22121()0.35snDDpD=42.32（MPa）(4-9)式中 s缸筒材料屈服强度（MPa）因为maxp=5 小于 np=43.32所以缸筒厚度符合要求。4.1.6 缸筒底部厚度计算 缸筒底部为平面时，其厚度可以按照四周嵌住的圆盘强度公式进行近似的计算：0.4330/p=0.43305/300=0.0599（m）(4-10)式中 缸底厚（m）；D缸筒内径（m）；P筒内最大工作压力（MPa）；筒底材料许用应力（MPa），4.1.7 缸筒焊接连接计算 缸筒与端
48、部用焊接连接时（图 5），其焊缝应力计算如下：沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第四章 液压缸的主要零部件设计 30 6221110()4FDdbn（MPa）(4-11)式中 F缸内最大推力（N）；D1缸筒外径（m）；d1焊缝底径（m）；焊接效率，取=0.7；b焊条材料的抗拉强度（MPa）；n安全系数（参照缸筒壁的安全系数选取）。其合成应力6330.1 1.5 146500.28100.790.2(0.260.24)223n（MPa）(4-12)许用应力 /ssn（MPa）(4-13)式中 F 缸筒端部承受的最大推力（N）；D缸筒内径（m）；0d螺纹外径（m）；1d螺纹底径（m）；K拧紧螺纹的
49、系数。不变载荷取 K=1.251.5 1K螺纹连接的摩擦系数 s缸筒材料的屈服极限（MPa）；sn安全系数，取 1.22.5。沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第四章 液压缸的主要零部件设计 31 图 5 缸筒平面底部 4.1.8 缸筒材料 在选取缸筒材料时，通常都会考虑两个常见因素，即拥有足够的强度与冲击韧性，市面的 45 号碳素钢一般使我们的首要选择，它完全具备以上特点，并且较为廉价。（见表 9）表 8 缸筒常用无缝钢管材料机械性能 4.1.9 缸筒内壁表面加工公差和粗糙度 ISO4394 缸筒内径，一般选用缸筒配合。其内径的表面粗糙度：当活塞选用橡胶密封时，通常取为 0.40.1；当活塞
50、选用活塞环密封时，通常取为 0.40.2。且均须珩磨。缸筒内径的圆度和圆柱度可选取 8 级或 9 级精度。沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第四章 液压缸的主要零部件设计 32 缸筒端面 T 的垂直度可用 7 级精度。缸筒端部用螺纹连接时，螺纹应选用6 级精度的细牙螺纹。图 6 缸筒的加工要求 4.2 导向环的设计计算 为了保证活塞与缸筒或活塞杆与其导向套拥有相同的轴度，并且拥有良好的承受能力，一般会将导向环安装在活塞外圆的沟槽内或活塞杆导向套内圆懂得沟槽内。4.2.1 导向环主要优点 a）低泄露，因其圆周间隙均匀且由于摩擦副同轴度好，故泄露少；b）导向环可用耐磨损材料，磨损后更换方便；c）低